- Avec la multiplication des applications de communication sans fil, le spectre radioélectrique disponible est de plus en plus surchargé et cela d’autant plus que des modes de modulation de plus en plus complexes sont mis en oeuvre.
- Il devient donc indispensable de comprendre d’où provient le bruit dans les systèmes radiofréquences (RF ).
- Diminuer la présence de bruit dans un décodeur de télévision par satellite peut avoir un impact semblable sur la qualité du signal délivré aux abonnés que le recours à de plus grandes antennes paraboliques, mais pour un coût bien moindre.
- Cet article s’intéresse à la mesure du bruit provenant de circuits électroniques d’un système, généralement dû au bruit thermique, résultant de l’agitation des électrons, et au bruit dû à la nature quantique du courant.
Auteur : Giovanni D’Amore, Responsable marketing RF & Microwave chez Keysight Technologies.
Diverses méthodes permettent d’évaluer la qualité d’un récepteur radiofréquence (RF). On peut s’intéresser à sa sensibilité ou au taux d’erreur de bit lors du décodage de signaux numériques. La mesure du «facteur de bruit» permet quant à elle d’évaluer la quantité de bruit créée par chaque partie du système, et de délivrer aux concepteurs des informations pertinentes afin de réaliser les compromis nécessaires affin d’atteindre les performances souhaitées pour le système sous test. Il sera par exemple peut être plus judicieux de s’intéresser plus particulièrement à la conception des amplificateurs plutôt que sur les spécificités des transistors.
Le facteur de bruit F d’un composant ou d’un système est la comparaison entre le rapport signal/bruit d’entrée (S/B) et le rapport S/B de sortie. Le facteur de bruit est indépendant du gain d’un amplificateur et du niveau du signal d’entrée (tant qu’un amplificateur fonctionne linéairement). Cependant, la plupart des amplificateurs ajoutent leur propre bruit à un signal, et le facteur de bruit d’un système dépendra également de la température de la source qui le pilote.
Le facteur de bruit est aussi généralement fonction de la fréquence, mais est indépendant de la bande passante. Il est communément exprimé comme étant égal à 10 log F.
Mesurer un facteur de bruit
Différents problèmes tels que Linéarité de la puissance de bruit affectent la façon dont les mesures de bruit sont réalisées.
La puissance de bruit fournie par un composant linéaire à deux ports dépend linéairement de la puissance ou de la température de bruit d’entrée, comme le montre la figure 1.
Figure 1: Pour une impédance de source au zéro absolu, la puissance de sortie consiste uniquement en bruit ajouté « Na » provenant de l’appareil testé (Source: Keysight)
Si la pente de cette droite ainsi qu’un point de référence sont connus, on peut trouver la puissance de sortie qui correspond à une puissance d’entrée non-bruitée Na. A partir de Na, on peut calculer le facteur de bruit ou la température efficace du bruit d’entrée.
Générateurs de bruit
Une façon de déterminer la pente de bruit est d’appliquer deux quantités différentes de bruit d’entrée et de mesurer le changement sur la puissance de sortie. Cela est réalisable en utilisant un générateur de bruit. Ceux-ci sont souvent conçus à l’aide d’une diode à faible capacité qui génère du bruit lorsqu’elle est en polarisation inverse avec un courant constant. Les générateurs de bruit de précision tels que ceux de la série Keysight SNS disposent également d’un atténuateur de sortie pour fournir un faible rapport d’onde stationnaire afin de minimiser les erreurs de désadaptation.
Figure 2: Les générateurs de bruit de la série SNS intègrent un capteur de température (Source: Keysight)
Pour effectuer des mesures de facteur de bruit, un générateur de bruit doit disposer d’un niveau de bruit de sortie étalonné, intitulé ENR (Excess Noise Ratio pour rapport de bruit en excès ). La caractéristique unique de calibrage d’ENR est fournie avec le générateur de bruit et, dans le cas de la série SNS, stockée sur une mémoire EEPROM. Lorsque les générateurs de bruit sont utilisés à des températures autres que 290K, les mesures doivent être compensées thermiquement. Les générateurs de bruit de la série SNS comprennent un capteur de température dont la valeur mesurée peut être lue par les analyseurs NFA de Keysight.
Techniques de mesure
La méthode du facteur Y
La méthode du facteur Y consiste à connecter un générateur de bruit au composant à tester (Device Under Test, DUT), puis à mesurer la puissance de sortie avec le générateur de bruit activé et désactivé. Le rapport de ces deux puissances est appelé le facteur Y.
La précision de la mesure de niveau relatif est importante. Un des avantages des analyseurs de bruit modernes est que le détecteur de puissance interne est très linéaire et peut très précisément mesurer les changements de niveau.
Le facteur Y et l’ENR peuvent être utilisés pour trouver la pente de bruit du DUT, comme le montre la figure 1. Puisque l’ENR calibré du générateur de bruit représente un niveau de référence pour le bruit d’entrée, une équation pour le bruit interne de DUT, Na, peut être obtenue. On peut alors en déduire une expression pour le facteur de bruit du système global, FSYS, qui représente la contribution au bruit de toutes les parties du système.
Lorsque le facteur de bruit est beaucoup plus élevé que l’ENR, le bruit du composant tend à masquer la sortie du générateur de bruit et le facteur Y tend vers 1. Comme il est difficile de mesurer avec précision les rapports de faible niveau, la méthode du facteur Y n’est pas employée lorsque le niveau de bruit est supérieur de 10dB à la valeur de l’ENR du générateur de bruit.
L’équation définissant le facteur Y peut également être modifiée pour appliquer une correction lorsque la température de point froid du générateur de bruit, Tc, n’est pas à la température de référence de 290 K, To.
La méthode du générateur de signaux à deux puissances
Cette approche implique la mesure de la puissance de sortie avec l’entrée du composant avec une charge à une température d’environ 290K. Ensuite, un générateur de signal produisant un signal à l’intérieur de la largeur de bande de mesure est connecté et sa puissance de sortie ajustée pour produire une augmentation de 3dB de la puissance de sortie du DUT. Si le niveau de puissance du générateur et la largeur de bande de mesure sont connus, il est possible de calculer le facteur de bruit du DUT.
Cette approche comporte des limites. La largeur de bande de bruit du dispositif de mesure de puissance doit être connue, impliquant éventuellement l’utilisation d’un analyseur de réseau. La puissance de sortie doit être mesurée avec un appareil qui mesure la puissance réelle, étant donnée la présence simultanée du signal de bruit et du signal d’onde continue (Continuous Wave, CW). Les compteurs d’énergie thermique mesurent très précisément la puissance réelle mais peuvent exiger une forte amplification pour lire un faible niveau de bruit, et nécessiteront également un filtre de sélection de la bande passante. Les analyseurs de spectre présentent une bonne sensibilité et une bande passante bien définie, mais le détecteur peut réagir différemment aux signaux CW et au bruit.
La méthode de mesure directe du bruit
Dans cette approche, la puissance de sortie du composant est mesurée avec une terminaison d’entrée à une température d’environ 290 K. Si le gain du composant et la largeur de bande de bruit du système de mesure sont connus, le facteur de bruit peut être déterminé.
Comme précédemment, la bande passante de bruit doit être connue et le dispositif de mesure de puissance doit afficher une très grande sensibilité. Contrairement à la méthode de la double puissance, le gain du DUT doit être connu et le détecteur de puissance doit être capable de mesurer les niveaux (donc pas seulement les rapports) avec précision.
Instruments de mesure de facteur de bruit
Analyseurs de facteur de bruit
Un analyseur de facteur de bruit (NFA pour Noise Factor Analyzer) possède un récepteur avec un détecteur de puissance précis et un circuit pour alimenter le générateur de bruit. Il permet d’introduire des ENR, et peut afficher le facteur de bruit pour la fréquence à laquelle il est accordé. Il calcule les facteurs de bruit en utilisant la méthode du facteur Y.
Figure 3: Analyseur de facteur de bruit de la série NFA (Source: Keysight)
Un analyseur de facteur de bruit affiche typiquement le facteur de bruit avec un balayage de fréquence et le gain, avec des marqueurs et des seuils limites.
Analyseurs de signaux/spectre
Les analyseurs de signaux/spectre peuvent être dotés d’un logiciel complémentaire et d’un contrôleur permettant de mesurer le bruit en utilisant les méthodes décrites ci-dessus. L’application de mesure du facteur de bruit sur les analyseurs de signaux X-Series assure des mesures de facteur de bruit et de gain très similaires à celles des analyseurs de facteur de bruit de la série NFA.
Les analyseurs de signaux et de spectre, même avec leurs préamplificateurs internes, ne disposent pas d’un facteur de bruit interne aussi faible que celui d’un analyseur NFA dédié à cette applicaton. Pour des dispositifs à très faible gain, il est préférable d’utiliser un NFA dédié ou d’ajouter un préamplificateur à faible bruit.
Analyseurs de réseau
Les analyseurs de réseau proposent pour certains des mesures de facteur de bruit. Ils peuvent généralement aussi mesurer le gain et l’adaptation du composant. Certains présentent quelques limites pour les mesures de bruit car, s’ils utilisent des récepteurs à double bande latérale, le facteur de bruit sera mesuré à deux fréquences puis corrigé. Cela fonctionne sur d’étroites bandes passantes de mesure, mais dès que la largeur de bande augmente significativement, des erreurs sont possibles. Un problème potentiel avec des analyseurs de bruit classiques, comme un analyseur de spectre, est l’impossibilité de compenser l’influence d’éléments présents dans la chaîne de mesure, comme des câbles et des adaptateurs, autour du dispositif sous test. L’analyseur de facteur de bruit dispose de certaines caractéristiques de compensation mais celles-ci sont scalaires par nature, ce qui ajoute de l’incertitude à la mesure globale. Grâce à leurs capacités d’étalonnage vectoriel, les analyseurs de réseau sont capables d’effectuer très précisément cette correction. Des techniques de mesure, comprenant la correction du paramètre S et la correction de source, permettent la création d’une configuration qui peut mesurer la caractéristique de bruit du composant et compenser les erreurs induites par la configuration de mesure elle-même.
Dispositifs de test de paramètres de bruit
Un dispositif de tests de paramètres de bruit recourt habituellement à un logiciel, un analyseur de réseau vectoriel et un analyseur de bruit pour effectuer une série de mesures qui permettent de calculer les paramètres de bruit d’un composant.
Un générateur de bruit est couplé au dispositif de test pour permettre des mesures de facteur de bruit à différentes impédances de source. Le dispositif de test possède un tuner qui présente diverses impédances de source au DUT. Les impédances de source correspondantes sont mesurées avec l’analyseur de réseau. A partir de ces données, il est possible de calculer tous les paramètres de bruit du composant, comme le facteur de bruit minimal du composant, l’impédance de source optimale et l’effet de l’impédance de source sur le bruit. Une approche similaire peut être utilisée pour déterminer les paramètres de gain. Les paramètres obtenus via ce type de configuration sont très importants notamment pendant la phase de conception d’un composant.
Wattmètres et voltmètres true-RMS
On peut utiliser des wattmètres et des voltmètres true-RMS pour mesurer le facteur de bruit avec les méthodes décrites ci-dessus. S’agissant d’appareils large bande, ils réclament l’emploi d’un filtre afin que leur bande passante soit plus étroite que celle du DUT. Ces filtres sont généralement fixés en fréquence et ne permettent que des mesures à cette fréquence. Les wattmètres sont le plus souvent utilisés pour mesurer les facteurs de bruit du récepteur dans le cas où le récepteur possède une fréquence intermédiaire fixe et une valeur très élevée de gain.
